Wyniki eksperymentu, który zorganizowali, pokazały, że przewidywania wynikające z formalizmu Feynmana zgadzają się z rzeczywistym zachowaniem fotonów. Ale skąd to całe zamieszanie? Mechanika kwantowa opisuje świat cząstek na poziomie, na którym intuicja znana z codziennego życia często przestaje działać. Jednym z najbardziej niezwykłych aspektów teorii jest sposób, w jaki można opisywać ruch cząstek pomiędzy dwoma punktami.
Czytaj też: Naukowcy zajrzeli do wnętrza kwantowego świata. Zweryfikowali to, o czym debatowali od lat
W 1948 roku Richard Feynman zaproponował formalizm, zgodnie z którym przy obliczaniu prawdopodobieństwa danego zdarzenia należy uwzględnić wszystkie możliwe trajektorie, jakie cząstka może przebyć pomiędzy punktem początkowym i końcowym. Nie chodzi przy tym o zwykłe dodanie prawdopodobieństw. Poszczególne drogi są opisywane za pomocą wielkości kwantowych, które mogą wzmacniać się lub wzajemnie wygaszać.
Tak powstała całka po trajektoriach, która z czasem stała się jednym z kluczowych narzędzi fizyki teoretycznej. Po 80 latach naukowcy znaleźli sposób, aby przełożyć tę abstrakcyjną konstrukcję na dane pochodzące bezpośrednio z eksperymentu. Zespół kierowany przez Shi-Lianga Zhu zaprojektował doświadczenie wykorzystujące fotony przechodzące przez skomplikowany układ niewielkich zwierciadeł, soczewek i kryształów. Kluczową rolę odegrał propagator, czyli obiekt matematyczny opisujący, jak stan kwantowy fotonu zmienia się podczas jego przemieszczania się z jednego miejsca do drugiego.
Naukowcy już wcześniej opracowali metody pozwalające mierzyć właściwości fotonów, między innymi ich polaryzację, a następnie na tej podstawie rekonstruować propagatory. Tym razem poszli o krok dalej. Dla konkretnego fotonu zmierzyli pięć kolejnych propagatorów. Następnie pomnożyli je zgodnie z zasadami formalizmu Feynmana. Pozwoliło to odtworzyć ogromną liczbę możliwych trajektorii, którymi foton mógł być opisywany w układzie eksperymentalnym.
Łącznie badacze uwzględnili aż 1 419 857 różnych ścieżek. Wszystkie wprowadzili do równania całki po trajektoriach. Otrzymane przewidywanie porównano z rzeczywistym wynikiem eksperymentu. Sam wynik nie był dla fizyków szczególnie zaskakujący, wszak całka Feynmana przez dziesięciolecia była wielokrotnie testowana pośrednio, a jej skuteczność w przewidywaniu zachowania układów kwantowych jest dobrze ugruntowana.
Czytaj też: Fizycy szukali ulotnej cząstki, a znaleźli coś znacznie ciekawszego
Nowością jest jednak to, iż naukowcom udało się bezpośrednio zrekonstruować jej działanie na podstawie danych eksperymentalnych. Jak podkreśla Zhu, zastosowana strategia przestała być wyłącznie symboliczną instrukcją zapisaną w podręczniku. Jej konsekwencje można było wyprowadzić bezpośrednio z pomiarów. Eksperyment wymagał przy tym wyjątkowej precyzji. Każdy z pięciu propagatorów zawierał niewielkie błędy pomiarowe, które przy kolejnych operacjach mogły się kumulować. Naukowcy musieli więc poprawić praktycznie każdy element swojego wcześniejszego układu eksperymentalnego. Bez tych usprawnień końcowe dane mogłyby wyglądać niemal jak przypadkowy szum.
Potwierdzenie formalizmu Feynmana może być punktem wyjścia do jeszcze bardziej złożonych eksperymentów. Jednym z możliwych kierunków jest badanie, w jaki sposób poszczególne trajektorie fotonów sumują się podczas przechodzenia przez różnego rodzaju materiały. Naukowcy liczą również, że opracowaną metodę będzie można zastosować do innych układów fizycznych. Wdrożona strategia mogłaby się sprawdzić w przypadku badaczy zajmujących się odmiennymi systemami kwantowymi.
Źródło: Science Advances
